基于Saber的ZVS PWM Boost变换器的分析与仿真

摘 要： 为了使开关电源达到高功率密度和易于便携的要求，采用高频PWM（Pulse Width Modulation）软开关控制方式，不但利于减小开关电源的体积，而且还能有效降低开关器件损耗和噪音。详细分析了零电压变换ZVS(Zero Voltage Switch)PWM脉宽调制Boost变换器的软开关过程及实现软开关的条件,利用Saber软件对Boost电路在硬、软开关条件下进行了仿真验证。仿真结果表明ZVS PWM软开关变换技术具有开关损耗小、恒频控制和变换效率高等优点。
关键词： 软开关；谐振回路；ZVS PWM boost；Saber

　直流开关稳压电源已广泛应用于通信、计算机、工业仪器仪表、医疗、军事、航空航天等领域。目前直流开关稳压电源正朝着高效率、高频化、集成化、轻型化、绿色化的方向发展[1]。Boost变换器以其结构简单、易实现等优点，广泛应用于中小功率升压场合[2-4]。由于开关器件的开关损耗与频率成正比[5]，在硬开关条件下提高开关频率，使电源轻型化的过程中，变换器的开关器件损耗增加，感性关断电压尖峰和容性开通电流尖峰随之增大，电磁干扰(EMI)也会加重。而软开关技术是解决这一矛盾的有效方法，所谓软开关技术实际是利用电感与电容谐振，使开关器件中电流(或电压)按正弦波或准正弦波规律变化。当电流过零时，使器件关断；当电压过零时，使器件开通，实现开关损耗为零[6-7]。
　Boost电路是一种典型的DC/DC变换电路拓扑。质子交换膜燃料电池发电系统中，质子交换膜燃料电池堆的输出电压较低[8]，在实际应用中必须进行升压，以满足后级逆变器的需要。为了提高变换器的变换效率、降低损耗，对传统的Boost变换器进行了改进。本文中的软开关Boost变换器，通过采用辅助开关管和谐振电路，实现了主开关管和二极管的软开关。相比其他的软开关变换器，在同样的控制频率下，既减小了开关损耗，又提高了变换效率。Saber是美国Analogy公司开发的功能强大的系统仿真软件，它具有强大的混合信号分析功能。本文详细分析了这种变换器的工作原理、实现软开关的条件并通过Saber进行仿真实验验证。
1 ZVS PWM Boost电路结构
　直流电源Uin、输入滤波电感Lf、主开关管M1、二极管D1、输出滤波电容Cf和负载R构成基本的Boost电路拓扑，如图1所示。辅助开关管M2，二极管D2、D3，谐振电感Lr和谐振电容Cr构成有源软开关环节。

　开通时，Cr和Lr构成的谐振电路可以减小并延缓主开关管M1的开通电流上升率di/dt，使得M1和D1具有ZVON环境，可有效减少开关损耗。在关断时，与M1并联的电容Cr可以有效抑制主开关管关断时的电压上升率du/dt，为M1和D1营造ZVOFF环境，可有效减少关断损耗。二极管D2、D3起到续流和换流的作用。

2 电路工作过程分析
　对Boost电路做如下分析，假设：
　(1)输入滤波电感Lf足够大，在一个开关周期内电流近似为恒值id=Iin，与输入电源Uin一起构成等效恒流源；
　(2)输出滤波电容Cf足够大，与负载R一起等效为恒值电压源；
　(3)除主、辅开关管和二极管以外，其余元件均具有理想特性。
　电路进入稳定工作状态后，整个开关周期可以分为8个工作状态，在一个周期内各阶段等效电路如图2所示，各图中粗线表示实际的电流路径。各阶段分述如下：
　状态1(t0~t1)：t0时刻之前，主开关管M1和辅助开关管M2已关断，电路处于D1稳定导通状态。在t0时刻，辅助开关管M2导通，二极管D1在反向恢复电流的作用下仍然导通，谐振电容被嵌位，谐振电感电流线性上升，在t1时刻iD1与iLr完成线性换流，D1完成反向恢复。在该阶段D1具有ZCZVOFF环境。此时有：

　状态2(t1~t2)：t2时刻D1关断，Cr的嵌位作用消失，在Cr、Lr谐振作用下iLr继续上升，能量从Cr向Lr传递。此时有：

3 软开关工作条件
　软开关环节的正常工作，需要确保在一个开关周期内所吸收的能量能够完全转移到负载中去。根据式(1)~式(5)及初始条件，iLr与iD1的换流时间可以由式(9)表示，谐振时间由式(10)表示。对本文中所述的电路，需要在M1开通前使得UM1降为零，为此需要辅助开关管M2的触发信号上升沿超前于主开关管M1触发信号上升沿的时间T(即延迟时间)大于换流时间t′和谐振时间t″之和，其关系表示为：

　谐振电容Cr的主要作用是限制主开关管M1的电压上升率，同时降低开关管关断时的电压尖峰值，以保护开关管正常工作。实际的谐振电感Cr值是主开关管的寄生电容值和外加电容值之和。由于较大的谐振电容Cr将在主开关管开通时加大损耗，难以实现零电压开通。因此，实际中的谐振电容值一般很小，本文中取谐振电容Cr=1 nF高频陶瓷电容。
　谐振频率fr一般取开关频率fs的5～10倍。若过高，谐振电流峰值太大；若过低，主回路的占空比利用率低，会造成输入电流的畸变和输出电压的不稳。所以，在满足谐振频率的要求下，根据得出的谐振电感值和谐振电容值，可以计算出延迟时间T=389 ns。
5 仿真试验及结果分析
　为了验证以上ZVZCS全桥变换器工作原理及上述分析的正确性，本研究对ZVS PWM Boost电路进行了仿真设计。仿真软件使用Saber，在Saber/Sketch环境下建立仿真模型。根据分析计算出的参数结果选择主要仿真器件为：主、辅开关管IRF150，D1为MUR460，D2、D3为MUR1540。
　仿真结果分别为图3、图4、图5所示。图3为主开关管在硬、软开关条件的开通、关断的电压、电流波形图。图4为续流二极管D1在硬、软开关条件的电压、电流波形图。图5为在硬软开关条件下输出电压、电流波形图。从仿真波形图形可以看出，由于谐振环节的作用，主开关管M1和续流二极管D1都实现了软开关，有效降低了开关损耗。同时，使得输出电压、电流均值增大，提高了变换器工作效率。

　从理论分析和仿真结果可以看出，由于谐振电路、ZVS PWM Boost电路可以实现主开关管的零电压开通和零电流关断，并使续流二极管具有软开关环境，从而有效减少了开关损耗，在一定程度上抑制了噪声。变换效率明显提高，节能效果明显，且开关频率固定、易于实现控制，更适合于中小功率变换器。
参考文献
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